【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 時(shí)的熾熱就是我們常見的光源。白熾體的重要特性：輻射的色表隨著輻射體的溫度的升高從暗紅、經(jīng)過桔黃、發(fā)白，最后到熾藍(lán)。色溫也隨著輻射體的溫度升高而提高。 白熾燈之所以使用鎢做燈絲材料是因?yàn)殒u在高溫下的低蒸氣速率以及可以被抽成細(xì)絲等其他性質(zhì)。電流在金屬導(dǎo)線中流過時(shí)會(huì)有一定的消耗，當(dāng)輸入功率與輻射功率及其他功率損失的總和精確平衡時(shí)，就達(dá)到了一個(gè)穩(wěn)定態(tài)。影響一些光源壽命的因素，主要原因是由于鎢燈絲的蒸發(fā)損失，主要是熱點(diǎn)和填充氣體 。 鹵鎢燈 維恩位移定律表明：溫度越高光效越高。如鎢絲表面在 3200K時(shí)的光效（每一瓦電力所發(fā)出的光量，其數(shù)值越高表示光源的效率愈高）為 36 ，而在 2800K時(shí)為 22 。如果在高壓下使用一種低熱導(dǎo)氣體，如氪，使蒸發(fā)受到抑制，就可以使用較高的燈絲溫度。要安全承受這種高壓，就需要一種小而結(jié)實(shí)的燈泡。非常小量的鹵素，如各種形式的碘、溴，可以用來與到達(dá)燈泡殼壁的鎢起反應(yīng)，確保泡殼的干凈。通過這種手段制造出燈絲溫度達(dá)到 3450K的燈泡，同時(shí)也改進(jìn)了光效。如果沒有充入鹵素，這種燈泡會(huì)在幾小時(shí)內(nèi)變黑。 改善鎢絲燈的方法是只允許可見輻射出射。如果紅外輻射被反射回來并被燈絲吸收，則維護(hù)燈絲溫度的功率就可以減小。商業(yè)化實(shí)現(xiàn)方法：發(fā)明制造低費(fèi)用、低損耗、高質(zhì)量的紅外反射膜，我們也可稱之為紅外反射濾光器。 氣體放電 放電通常比白熾燈更有效，這是由于其輻射來自高于固體燈絲能達(dá)到的溫度區(qū)域。放電是比鎢更有選擇的發(fā)射體（可移向可見區(qū)或者紫外區(qū)而遠(yuǎn)離紅外輻射區(qū)），因此在紅外輻射區(qū)有更少的能量浪費(fèi)。 放電形成等離子體，它是離子、電子形成的混合體，平均呈電中性。一般必須有與等離子體的電子連接，通常是電極，但無電極連接也是可能的。 ⑴帶電極的氣體放電 氣體放電示意圖：空心圓表示可被電離和形成等離子體的氣體原子。當(dāng)帶有正電荷的粒子在電場(chǎng)作用下定向位移時(shí)，就形成了放電電流。陰極必須能發(fā)射出足夠多的電子，以維持電流的持續(xù)，而陽(yáng)極則接收電流。圖中的電阻是直流放電時(shí)起限制電流作用的鎮(zhèn)流器。圓中有 *符號(hào)的表示是被高能電子激發(fā)的原子，他們會(huì)產(chǎn)生輻射。 當(dāng)一個(gè)足夠大的電場(chǎng)加在氣體上，氣體被擊穿而導(dǎo)電。最熟悉的例子是閃電。產(chǎn)生擊穿是由于自然界中總有數(shù)量很小的、由宇宙射線或者自然放射所產(chǎn)生的以電子 離子對(duì)形式存在的電離。外加的電場(chǎng)使電子加速（離子相對(duì)是靜止的），一部分可能獲得足夠能量從而電離氣體原子。 當(dāng)施加足夠大的電場(chǎng)時(shí)，電離的速率可能超過離子與電子復(fù)合的損失速率；那么放電電流就會(huì)迅速增長(zhǎng)。電荷攜帶者的產(chǎn)生率比電流增長(zhǎng)得更迅速。結(jié)果是放電電壓將隨著電流的上升而下降。電流限制通過鎮(zhèn)流器來實(shí)現(xiàn)，以阻止電流上漲到使保險(xiǎn)絲熔斷或者一些別的破壞性結(jié)果的產(chǎn)生。 為了維持放電電流，在陽(yáng)極返回外部電路的電子必須被從陰極發(fā)射的電子代替。陰極是典型的鎢絲結(jié)構(gòu)（卷狀或者穗狀）。來自放電過程的離子轟擊陰極使之加熱。電子能夠逃離陰極的可能幾率指數(shù)地依賴于它的溫度以及表面的障礙因素。放電通常工作在交流電網(wǎng)頻率條件下。高頻電子鎮(zhèn)流器能提供一些好處，對(duì)于熒光燈來說，在20KHZ或者更高頻處的工作實(shí)質(zhì)上減少了電極損失，并且消除了某些用戶需要的光輸出調(diào)制。 ⑵在更高頻率下，制造完全省卻電極的無極燈是可能的。現(xiàn)在有三種電感耦合放電。通常由幾兆赫驅(qū)動(dòng)的一個(gè)線圈構(gòu)成變壓器的初級(jí)，次級(jí)由環(huán)狀的等離子體形成，因此脫離了熒光燈的長(zhǎng)而細(xì)的幾何形狀，允許與熟悉的燈泡相似的高效燈的產(chǎn)生。沒有了電極，理論上放電中就沒有什么壽命限制，導(dǎo)致燈出現(xiàn)問題的原因可能是鎮(zhèn)流器中電子元器件損壞或者熒光粉因?yàn)闀r(shí)間長(zhǎng)而失效，所以其經(jīng)濟(jì)壽命可能短于真實(shí)壽命。 低壓放電 用在照明中的低壓放電中的金屬主要是汞和鈉；氖放電用于指示燈和警告燈。低壓放 電的大部分長(zhǎng)度被一個(gè)很均勻的稱為正柱區(qū)的等離子體占有。在熒光燈和低壓鈉燈中，這是產(chǎn)生高效輻射的區(qū)域。在熒光燈中包含的汞蒸氣氣壓約為6*103Torr()，稀有氣體如氬的典型氣壓為 2 Torr(266Pa)。 熒光燈（低壓鈉燈）工作需要一個(gè)最佳汞氣壓（鈉氣壓），而且熒光燈要細(xì)且長(zhǎng)。為了使熒光燈工作穩(wěn)定，燈的電壓必須是 100V，長(zhǎng)度必須約為 1M。在緊湊型燈中使用的窄管具有更高的電場(chǎng)，放電長(zhǎng)度更短，管子必須折疊起來以獲得必要的燈長(zhǎng)度。在無極燈中，加在燈電壓上的約束不再適用。這就是為什么無極燈可以制成類似于白熾燈的形狀的原因。惰性氣體（氖、氬、氪或是它們的混合氣體）在放電過程中起著非常重要的作用。 高壓放電 低氣壓放電中的氣壓升高，氣體被加熱，最后處在一個(gè)大氣壓范圍內(nèi)，氣體溫度僅比電子溫度（主要在 4000K~6000K的范圍）低幾 K，要維持如此高的氣體溫度，則必然存在溫度梯度，中心區(qū)域變熱。沿著溫度梯度方向流向管壁的熱能損失限制此種電弧的輻射效率約為 60%。 蒸氣的參數(shù)由于選擇性輻射可以調(diào)整使輻射主要發(fā)生在可見光區(qū)域。高的氣體溫度有助于激發(fā)和電離，由于大部分的電流通過中心區(qū)域，電弧中心區(qū)域非常熱，絕大多數(shù)的光在中心產(chǎn)生，這就是為什么高氣壓放電電弧繩化的原因。中心熱區(qū)域的氣體密度低于外部冷區(qū)域。如果該放電沿水平方向，則熱的中心區(qū)域就會(huì)朝上彎曲，這就是為什么把此種放電稱為電弧的原因。這也解釋了為什么高氣壓放電并非全體都是高熱的，彎曲引起的微小變化也能引起光色的顯著變化，在極端的情況下，它可能引起管壁過熱而損壞。 化學(xué)種類及金屬鹵化物電弧 能在高氣壓電弧的器壁溫度下（如 1000K）維持足夠高的蒸氣壓，并且能產(chǎn)生明顯的可見光輻射的元素的種類非常少，實(shí)際上用于照明光源的填充元素通常只有氙、鈉和汞，但絕大多數(shù)金屬元素產(chǎn)生的金屬鹵化物比它們自身還要活潑得多。許多元素，尤其是元素周期表中那些過渡金屬和稀土金屬元素，具有非常多的能級(jí)數(shù)目，并且能輻射出數(shù)千條光譜線。其中的一些元素如鈧、鏑等，在可見光區(qū)域能產(chǎn)生非常豐富的輻射。其他的一些元素，如銦、鉈和鈉，可以產(chǎn)生非常強(qiáng)的線光譜（分別對(duì)應(yīng)藍(lán)色、綠色和黃色）。 以上這些事實(shí)構(gòu)成了金屬鹵化物燈的理論基礎(chǔ)。 假如我們將幾毫克的金屬鹵化物碘化鉈（ TlI）與汞和稀有氣體一起放入放電管中，在放電被觸發(fā)的過程中，汞迅速被蒸發(fā)，管壁變得足夠熱使部分碘化鉈被蒸發(fā)出來。這些碘化鉈通過擴(kuò)散進(jìn)入最高溫度約為 6000K的汞電弧，在高溫下，碘化鉈分解為原子： TlI=Tl+I。鉈原子能輻射出很強(qiáng)的 535nm的綠色光譜線。與鉈相比碘的激發(fā)能要大得多，因此幾乎沒有碘的輻射。 對(duì)于相當(dāng)簡(jiǎn)單的僅充有鉈、鈉、汞和碘元素的金屬鹵化物燈，假定燈內(nèi)已達(dá)到局部熱平衡的工作狀態(tài)，為簡(jiǎn)化分析，我們忽略了 Hg、HgI、 HgI I、 I2和 Na2等化學(xué)種類。在非常低的溫度下，僅有少量的 Na2I2的二聚物，隨著溫度上升， TlI和 NaI的分子就會(huì)分解成原子，并可能產(chǎn)生輻射。進(jìn)一步升高溫度，這類原子還會(huì)被電離。由于 NaI比 TlI更易電離，所以在這類金屬鹵化物燈內(nèi)，在電弧溫度最高處的大多數(shù)電子來自鈉原子，因此光譜由鈉決定。 鈉比汞要容易電離。由于電子可以通過鈉的電離得到補(bǔ)充，這意味著碘化鈉蒸發(fā)時(shí)，電弧溫度將下降，電弧溫度的下降導(dǎo)致汞的線光譜發(fā)射的減少，因此其光譜將內(nèi)鈉和鉈所決定。這也就是為什么在充有 100Torr鈉和 1000Torr汞的高壓鈉放電中幾乎沒有汞原子輻射的原因。在穩(wěn)定狀態(tài)下，汞原子所起的作用主要是減少熱傳導(dǎo)損失，從而提高輻射效率。雖然金屬鹵化物電弧常被描述成帶有附加萬分的汞電弧，但這是完全錯(cuò)誤的，因?yàn)槟切┙饘冫u化物完全控制了電弧的行為。 以上的這些觀點(diǎn)適用于任何一種金屬鹵化物放電形式。為了得到一個(gè)高效的顯色指數(shù)優(yōu)良的白色光源，金屬鹵化物燈的設(shè)計(jì)者們可以有許多方法，包括所添加的金屬鹵化物的種類和數(shù)目等等。這些設(shè)計(jì)上的自由也伴隨著一些麻煩：比如金屬鹵化物會(huì)與燈電極及管壁發(fā)生緩慢的反應(yīng)。這樣，燈的壽命、光色的穩(wěn)定性、光色的可變性、電弧中光色的分層、燈的維護(hù)、啟動(dòng)以及閃爍等等都將受到這些化學(xué)反應(yīng)的影響。這也是為什么自從金屬鹵化物燈在 1959年問世 35年后，仍然沒有完全取代其他高強(qiáng)度氣體放電光源的原因。盡管這樣，適當(dāng)?shù)貞?yīng)用金屬鹵化物燈還是帶來了很多好處。今天，金屬鹵化物燈能夠獲得銷售成功是 30年來長(zhǎng)足進(jìn)步的結(jié)果。 部分常見的金鹵燈泡品牌型號(hào)特性 生產(chǎn)廠家 光源型號(hào) 封裝方式 光效 色溫 顯色指數(shù) 平均壽命 功率 歐司朗 （ OSRAM） 公司產(chǎn)品 HMI 雙端 /單端 100lm/W 6000K Ra≥90 150~1000h 125W~18000W HTI 雙端 /單端短弧 4800K~6500K 500~750h 400W~2500W HMD 雙端 /單端 100lm/W 5000~6000K Ra≥75~80 3000h 300W 6000W HMP 雙端 /單端 6000~6500K Ra≥85 1000~3000h 200~575W HSR 單端雙玻璃殼 80~92lm/W 6000~7200K Ra≥85 650~1000h 400~1200W HSD 單端雙玻璃殼 6000~7800K Ra≥85 3000h 200~575W 飛利浦（ Philips）公司產(chǎn)品 MSD 單端雙玻璃殼 66~77lm/W 6000K Ra≥65~80 2023~3000h MSR 單端雙玻璃殼 75~100lm/W 5600K 6000K Ra≥92~95 200~1000h 125~12023W 發(fā)光和熒光粉 熒光粉用于將紫外輻射轉(zhuǎn)化為可見輻射。在熒光燈中，為了產(chǎn)生光的需要，